柔性直流技术解决电磁合环运行问题的方案设想

柔性直流技术解决电磁合环运行问题的方案设想

林成1康鹏1付俊波2王新宝2

(贵州电网有限责任公司贵州省贵阳市550001;2.南京南瑞继保电气有限公司江苏省南京市211102)

摘要：在电网规划中，要保证不同高电压等级电网的协调发展，需要妥善处理电磁环网问题，电磁环网运行与开环运行均不能同时兼顾到系统的可靠性和经济性，本文提出在开环的电磁环网通过背靠背柔性直流连接的技术方法，该方案可以同时保证系统运行的经济性、可靠性。文章通过案例说明了背靠背柔直解决电磁环网问题的优越性和实用性。

关键词：柔性直流；电磁环网；可靠性；开环运行

1前言

在电网建设的初期阶段，为保证电网的输电能力或保重要负荷，电网不得不采取电磁环网运行，在我国电网发展过程中。220/110kV电磁环网已陆续解开，但随着500kV系统的建立，新的500/220kV电磁环网又在不断形成。有很多地区存在电磁环网运行的情况，电磁环网的运行在一定程度上可以增强系统运行的可靠性[1]，但电磁环网运行存在以下几个弊端：

(1)容易造成系统故障后热稳定破坏，如果在主要的受端负荷中心，用高低压电磁环网供电而又带重负荷时，当高一级电压线路断开后，所有原来带的全部负荷将通过低一级电压线路送出，容易出现超过导线热稳定电流的问题。

(2)潮流分配不合理，不利于经济运行。如500kV与220kV线路的自然功率相差极大，同时500kV线路的电阻与远小于220kV线路的电阻值。在500/220kV环网运行情况下，许多系统潮流分配难于达到最经济。

(3)容易造成系统的暂态稳定破坏，易造成系统动稳定破坏。正常情况下，两侧系统间的联络阻抗将略小于高压线路的阻抗。而一旦高压线路因故障断开，系统间的联络阻抗将突然显著地增大(突变为两端变压器阻抗与低压线路阻抗之和，而线路阻抗的标么值又与运行电压的平方成正比)，因而极易超过该联络线的暂态稳定极限，可能发生系统振荡。

一般情况中，往往在高一级电压线路投入运行初期，由于高一级电压网络尚未形成或网络尚不坚强，需要保证输电能力或为保重要负荷而又不得不电磁环网运行。而环网开环运行则会带来供电可靠性、供电安全性的降低、巨额投资的浪费等问题。

由此可见，电磁环网运行与电磁环网开环运行均不能同时兼顾到电网稳定性、可靠性、经济性的运行要求。柔性直流输电技术的出现，则为解决这一矛盾提供了新思路[2][3]。

本文将着重研究通过背靠背柔性直流输电技术将开环的电磁环网连接，解决系统运行的经济性、可靠性的要求。同时柔性直流具备独立的有功无功调节能力、快速的动态响应能力，使得电网运行具备灵活性的要求。

2柔性直流输电技术的特点

轻型柔性直流输电技术是20世纪90年代开始发展的一种新型直流输电技术，核心是采用以全控型器件(如GTO和IGBT)组成的电压源换流器(VSC)进行换流.这种换流器功能强，体积小，可减少换流站的设备、简化换流站的结构，故可称为轻型直流输电。

柔性直流输电时从常规直流输电的基础上发展起来的，因此传统的直流输电技术所具有的优点，柔性直流输电系统大都具有。从已投运的柔性直流输电工程来看，当柔性直流输电系统接入交流系统后，可能会存在一些优点：

(1)有功无功快速独立控制。柔性直流的每个换流站可看做是STATCOM装置，可以根据无功功率指令或交流系统的电压水平自主调节其吸收或发出无功功率。有功功率控制是一端需要采取定直流电压控制，另一端根据有功指令在调节范围内任意调节。有功功率调节范围极宽，甚至可以传输零功率。此时无功调节范围不再受到换流器总容量的限制，可以达到额定值。

(2)潮流翻转快速。柔性直流的潮流反转过程可以在几毫秒内完成。无功功率控制器同时动作，保证无功功率交换不受反向过程的影响。这个优点既能快速的控制潮流，又可用于多端直流系统。

(3)提高交流电网的功角稳定性。电网的功角稳定问题时制约线路输电能力的因素之一，目前抑制机电振荡较好的解决办法有调节发电机的输出功率、投切负荷和采用柔性直流输电。因为他们可以实际地消耗或注入有功功率阻尼振荡。

(4)可以向无源电网供电。电压源换流器电流能够自关断，可以工作在无源逆变状态，不需要外加的换相电压，受端系统可以是无源网络。

(5)不增加系统的短路电流，这以为着增加新的柔性直流输电线路后，交流系统的保护整定基本不需改变。

(6)占地面积少，模块化设计使柔性直流输电的设计、生产、安装和调试周期大大缩短。同时，换流站的占地面积仅为同容量下传统直流输电的20%左右[4][5]。

3柔性直流解决电磁环网问题的设想

以下面的局部电网作为研究案例：

图1研究案例电网

Fig.1Researchcaseofpowergrid

电网中有两个500kV分区（A区和B区），每个500kV分区中有若干个220kV变电站。为了提高系统的可靠性，若将220kV线路A3－B3通过交流线路连接，A、B区构成电磁环网运行，此时可能导致220kV线路的短路电流增大，一旦500kV线路出现故障，A3－B3交流线路将可能严重过载。同时某一区交流系统故障将会影响到另一区的运行。而一旦开环运行，部分变电站的供电可靠性降低，电网运行方式安排的灵活性也受到一定限制。

若考虑在A3变电站内建设背靠背的柔性直流，即A3－B3线路通过背靠背柔直代替，使得两个500kV分区在220kV通过交－直－交的方式合环。合环运行后，短路电流水平等基本与开环状态保持不变，500kV线路故障后转移到220kV的潮流也是受控的，即仍具有开环运行的优点，因此背靠背柔直的合环运行方式具有可能性。

4柔性直流结局电磁环网问题的优势

4.1提高分区互供能力

当大负荷情况下，某一分区（如A区）的500kV主变或者220kV线路故障停运，并联的500kV主变或者220kV线路可能出现过载。没有背靠背柔性直流方案时，对于严重过载（如超过变压器额定容量的120％，线路额定载流量的110％）的情况，一般采用安全自动装置联切负荷；对于一般的过载，则采取调度人员紧急拉停或者转移负荷的处理方式。无论哪种处理方式，均存在停电的损失。

采用背靠背柔性直流方案时，利用直流功率调整灵活的特点，可以快速的将直流功率调整至B到A输送一定容量，解决A区的过载问题，如下图所示：

在实际运行中，A区主变的过载问题能否完全能够得到解决，取决于以下限制条件：

1）背靠背柔性直流的额定容量；

2）B区主变的功率调整裕度；

3）B区220kV网络的功率调整裕度；

4）A区和B区联络线的输电能力；

只要上述条件中的其中一个限额低于A区主变的过载值，则A区主变的过载问题不能得到完全解决，仍需配合其他手段。在工程设计时，需要充分考虑上述限制条件。如果设计合理，可以降低500kV主变或者220kV网络的容载比，提高电网运行的经济性。

图2提高分区互供能力方案

Fig.2Theschemeofimprovingabilityofpowermutualsupportonsub-areapisionofthepowersystems

2.2避免严重故障下分区电网失电

当某一分区（如A区）的500kV主变全部跳闸时，在没有地区电源的情况下，分区电网将面临失电，如果有地区电源，也会因为功率的严重不平衡而导致分区电网垮网。

采用背靠背柔性直流方案时，利用柔性直流可向无源电网送电的特点，一旦出现区域交流进线全部断开形成局部孤岛后，柔性直流可迅速切换到孤岛控制模式，使得故障的分区电网保持稳定运行。

在实际运行中，这种严重故障下A区的失电问题能否完全能够得到解决，同样取决于柔性直流额定容量等限制条件（同上节）。一般情况下，柔性直流方案需要与以下控制手段进行协调配合：

1）主动切除部分次要负荷，保证功率在限制范围内的重要负荷连续稳定运行。切除的负荷可根据情况，由备自投转移到其他分区以快速恢复供电。

2）通过低频低压减载，切除部分次要负荷。对于无源地区，需要柔性直流控制可以实现主动降低频率或者电压。

3）和备自投方案有效结合。由于柔性直流的供电，该地区不会完全出现失压特性，因此，备自投的方案（定值）等需要进行针对性的修改。

2.3提高电压稳定性

由于柔性直流可以有功和无功解耦控制，柔性直流具备STATCOM的功能，可以为分区电网以及大电网的电压稳定性等作出贡献。

为了更好的实现电压控制，可以和分区内的其他电压无功手段有效结合起来，使得正常情况下可以保留一定的动态无功备用，以便在紧急情况下最大程度的发挥作用。

2.4其它可能的作用

如果500kV主网架比较薄弱，当发生500kV线路断面断开等故障时，在220kV网架能够承受的范围内，受控的转移一部分500kV线路功率，对整个电网的稳定性也是有益的。

5案例分析

以北京怀柔、密云区电网结构为例，该地区目前主要是220/110kV电磁环网结构，怀柔、密云站分别有3台、2台容量均为180MVA的变压器，采用电磁环网结构可以增强怀柔、密云辖区负荷的可靠性，但由于系统潮流根据阻抗呈自然功率分布，2012年冬季运行方式下，怀柔变电站的负载率(99%)远重于密云站的负载率(40.8%)。怀柔变电站的主变不能满足N-1的要求，而密云变轻载使得设备运行不够经济。一旦密云站出现故障，怀柔将会过载。随着经济发展规划的加快，该地区潮流分布不均的现象将会表现更加明显。

若考虑在密云、怀柔110kV线路上安装背靠背柔性直流输电系统。即将110kV线路断开，安装背靠背柔性直流换流站，通过柔直调节两个地区之间部分功率。使系统运行满足N-1的要求，同时每个柔直换流站可看做STATCOM装置。对怀柔、密云区的无功平衡、电能质量的改善有较大的作用。

当换流站的功率为200MW时，表示两个变电站之间可实现功率互供200MW。在正常运行时，可平衡两个变电站的功率，使系统满足N-1的要求。当怀柔地区出现负荷周期性波动时，柔直可平抑系统电压的波动，如下图所示。

图4柔直对怀柔地区负荷周期性波动的影响

Fig.4TheinfluenceofFlexibleHVDCtoloadcyclicalfluctuationsinhuai-rouarea

6结论

电网发展过程中，过渡过程的电磁环网的问题需要深入研究，本文提出背靠背柔性直流输电系统将开环的电磁环网连接起来，为电磁环网运行和解环运行不能同时兼顾经济性、可靠性的矛盾提供新的解决思路。保证分区电网之间可实现功率相互支援、合理分配分区电网潮流、避免严重故障下分区电网失电。从而保证电网供电可靠性、安全性、经济性。但由于柔性直流输电系统的一次投资较大，一旦未来规划的网架结构出现较大变化导致柔直的效果不能体现，将会造成极大的浪费，故是否采取柔直连接分区电网，需要综合考虑电网规划的发展，对柔直应用的经济性、安全性、可靠性进行综合评估。

参考文献References

[1]张祖平，范明天，周莉梅．城市电网电磁环网的解环问题研究[J]．电网技术，2008，32(19)：42-44．

[2]蔡光宗，何晖，包海龙，等．柔性直流输电技术在上海电网的应用研究[J]．供用电，2012，29(2)：1-5．

[3]李春叶，李胜，尚敬福，等．电磁环网方式与分层分区运行方式之决策[J]．电力学报，2006，21(2)：8-12．5.

[4]汤广福．基于电压源换流器的高压直流输电技术[M]．1版．北京：中国电力出版社，2010：16-19.

[5]程林．电磁环网解合环分析与控制研究[D]．北京：华北电力大学，2007：7-8.

[6]夏翔，熊军，胡列翔，等．地区电网的合环潮流分析与控制[J]．电网技术，2004，28(22)：76-80．